O piloto de 19 anos qualificou-se 0,222 segundos mais rápido do que o colega de equipa e líder do campeonato George Russell, que garantiu a partilha da primeira linha da Mercedes após problemas com o carro mais cedo. O piloto da Ferrari Lewis Hamilton foi o terceiro mais rápido.
Antonelli já era o mais jovem a partir da pole em qualquer formato, depois de liderar a qualificação do sprint de Miami no ano passado, mas em Xangai, este sábado, destruiu o recorde anterior de Grande Prémio de Sebastian Vettel, que o alemão estabeleceu aos 21 anos em 2008.
"Foi uma sessão bastante limpa, por isso estou muito contente", afirmou Antonelli: "Vi que ele (Russell) teve um problema e tentei manter o foco para ficar calmo e fazer uma boa volta."
Russell só conseguiu uma volta depois de parar na pista no início da fase final e de se queixar pelo rádio de que não havia bateria e não conseguia mudar de velocidade. O britânico conseguiu pôr o carro a funcionar novamente e regressou à garagem, onde os mecânicos trabalharam intensamente para o colocar de volta à pista antes da bandeira de xadrez.
"Sem dúvida, foi uma questão de limitar danos", disse Russell, que venceu o sprint anterior e aumentou para 11 pontos a vantagem no topo: "No Q2, a asa dianteira partiu-se, estávamos a tentar perceber o que se passava. Depois, obviamente, fui para o Q3, o carro parou na pista, não estava a arrancar, não conseguia mudar de velocidade. Ao iniciar a última volta não tinha bateria, nem temperatura nos pneus, nem nada. Mas a equipa fez um trabalho excelente para nos colocar nesta posição, podia ter sido muito pior."
O piloto da Ferrari Charles Leclerc qualificou-se em quarto, com os McLaren de Oscar Piastri e o campeão em título Lando Norris em quinto e sexto.
Pierre Gasly qualificou-se em sétimo para a Alpine, propriedade da Renault, com o tetracampeão mundial Max Verstappen em oitavo para a Red Bull e o novo colega de equipa do neerlandês Isack Hadjar em nono. Oliver Bearman fechou o top 10 para a Haas, equipada com motores Ferrari.
Williams, Aston Martin e os estreantes Cadillac foram as equipas cujos pilotos não conseguiram passar da fase inicial.
O experiente finlandês da Cadillac Valtteri Bottas qualificou-se à frente do piloto da Aston Lance Stroll, enquanto a Williams continuou a ter dificuldades com um carro acima do peso.
"Terrível!" gritou o piloto da Williams Alex Albon em frustração pelo rádio do carro, depois de se qualificar na 18.ª posição.